MXeneTi₃C₂:一种有效的光热转换材料

李仁元,张连彬,施乐,王鹏

阿卜杜拉国王大学生物和环境科学与工程部海水淡化和循环利用中心

沙特阿拉伯Thuwal 23955-6900,科学技术重点实验室

摘要：MXene,作为一种新型的2D材料,在各种领域已经得到广泛的运用,如催化,超级电容器,分子分离,电磁波干扰屏蔽.本文阐述了一个特别设计的水滴光加热系统以及一个完整的计算程序,两者结合可用于精确测定各种纳米材料的内部光热转换效率.MXene的内部光热转换效率,尤其是Ti₃C₂所构成的MXene在测试中能够到100%,这体现了完美的能量转换.此外,通过简单的真空过滤和膜制备技术可制备出自浮式薄膜.通过选择合适的隔热层,在单位光照照射下,可达到84%的水蒸发效率,这在类似的光热蒸发系统中是最先进的能量效率.本文阐述了超高的内部光热转换效率和巨大的水蒸发效率,而这表明,MXene是一种非常有前途的光热转换材料,值得在实际应用中对其进一步研究.

关键词：MXene Ti₃C₂ 光热转换 光热 水蒸发

MXene是一种由早期过渡金属碳化物或碳氮化物组成的新系列2D材料,通常通过选择性蚀刻Mn 1AXn相中的A层来制备.M是早期过渡金属,A主要是IIIA或IVA(即13或14)族元素,X是C或N,n=1、2或3[1],由Gogotsi集团于2011年首次引入,自此其家族稳步增长,并发现其本身具有许多令人兴奋的应用[2],包括催化[3,4]、电池[5,6]、超级电容器[7,8]、分子分离[9]等.

最近,有报道称,MXene和MXene聚合物复合膜产生了破纪录的电磁干扰屏蔽效应,这是MXene及其复合材料具有优异的电磁波吸收性能的直接体现.此外,MXene作为一种顶级的电磁干扰屏蔽材料,其电磁波发射可以忽略不计,吸收的电磁波最终以热的形式在材料内部消散[10].这个发现是发人深省的,并启发我们去研究MXene与日常生活中更普遍存在的电磁波,也就是太阳光的相互作用.虽然现在没有相关技术,但我们相信MXene优良的电磁波吸收和热转换性能可以让它成为优异的光热转换装置的生产材料.

光热转换,是一种利用太阳能的非常原始古老的方法,它利用光热材料收集太阳辐射并转换为热,作为可以利用的终端能源[11-13].由于其操作简单,材料的选择范围广,更重要的是,与其他太阳能收集手段（如光伏和光催化）[14-16]相比具有极高的能量转换效率.在过去十年,光热转换技术再一次引起了人们的兴趣,并发现其对基础设施有一定的利用价值,例如水蒸发,海水淡化癌症治疗等[17-23].